在当下这个万物互联、数据爆发的时代,光通信技术正扮演着愈发关键的角色。作为光通信系统核心部件的光芯片,正成为各国科技强国竞相追逐的前沿阵地。
这不仅是因为光芯片在提升信息传输速度和网络可靠性方面发挥着决定性作用,更在很大程度上决定着一个国家在数字经济时代的竞争力。掌握高速光芯片的制造技术,不仅意味着对海量数据传输的能力,更蕴含着对未来发展方向的主动权。
正是洞见到这一点,各国政府和企业纷纷加大了在光芯片领域的投入力度。不过,相比欧美等老牌强国,中国科技工作者在这一赛道上显得有些后发优势。
光芯片：信息时代的重要内核
放眼整个信息通信产业,光芯片无疑是其中最为核心的组成部分之一。
顾名思义,光芯片是利用光电转换等原理,在微米级尺度上集成实现光信号的发射、检测、调制、解调等功能的微型集成电路。换言之,光芯片是光通信系统的"大脑",承担着光信号转换、处理等关键任务。
正是凭借其独特的功能,光芯片在现代通信网络中扮演着举足轻重的角色。从宽带接入、城域网到数据中心互联乃至5G基站,光芯片都可以找到其应用痕迹。同时,随着人工智能、云计算等新兴技术的高速发展,人类社会对高速、大容量数据传输的需求也越来越旺盛,这就进一步放大了光芯片的应用价值。
可以说,光芯片正成为支撑数字时代的关键底层技术。谁掌握了光芯片的核心制造能力,谁就能掌控未来信息通信产业的主导权。正是洞见到这一点,世界各国都在争夺这一科技制高点。
国内科研进展
国内首款2Tb/s三维集成硅光芯粒成功出样
当前，业界正通过研发更大容量、更高速率、更高集成度的硅基光互连芯片解决方案提升算力系统的整体性能，以满足人工智能快速发展带来的AI算力系统对于高效能互连技术的爆发性增长需求。然而，面向下一代单通道200G以上的光接口速率需求，硅光方案在速率、功耗、集成度等方面面临着巨大挑战。
5月9日，据“中国光谷”消息，国家信息光电子创新中心（NOEIC）和鹏城实验室的光电融合联合团队完成2Tb/s硅光互连芯粒（chiplet）的研制和功能验证，在国内首次验证了3D硅基光电芯粒架构，实现了单片最高达8×256Gb/s的单向互连带宽。
据介绍，该团队在2021年1.6T硅光互连芯片的基础上，进一步突破了光电协同设计仿真方法，研制出硅光配套的单路超200G driver和TIA芯片, 并攻克了硅基光电三维堆叠封装工艺技术，形成了一整套基于硅光芯片的3D芯粒集成方案。
该成果将广泛应用于下一代算力系统和数据中心所需的CPO、NPO、LPO、LRO等各类光模块产品中，预计近期可以实现高端硅光芯片的批量商用。
中国团队研制出全球首个氮化镓量子光源芯片
据“上海嘉定”4月底介绍，电子科技大学信息与量子实验室、清华大学，及中国科学院上海微系统与信息技术研究所成功研制出全球首个氮化镓量子光源芯片。这一突破性进展，不仅为我国在量子通信领域的研究奠定坚实基础，也为全球量子技术的发展注入了新的活力。
在该项目中，研究团队通过优化电子束曝光和干法刻蚀工艺，成功攻克了氮化镓晶体薄膜生长以及波导侧壁与表面散射损耗等技术难题，将氮化镓材料首次成功应用于量子光源芯片的研发中。
据悉，新研发的氮化镓量子光源芯片在关键性能指标上实现了重要突破——其输出波长范围从25.6纳米显著扩展至100纳米，并具备向单片集成方向发展的潜力。这一创新意味着未来的“量子灯泡”将能照亮更多的领域，从而使大容量、长距离、高质量的量子互联网成为可能。
相较于现有的通信方式，量子通信在安全性、准确性和传输速度上具有显著优势。随着量子技术的不断完善，它将在军事、金融、科研等高度需求保密性的领域得到广泛应用，同时有望进一步推动人工智能等现代信息技术的发展。
中科院找到更易量产的光芯片材料
据5月9日《科技日报》报道，近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所科研团队在钽酸锂异质集成晶圆及高性能光子芯片领域取得突破性进展，成功开发出可批量制造的新型“光学硅”芯片。相关研究成果8日在线发表于《自然》杂志。
此前，铌酸锂俗有“光学硅”之称，是制作光子芯片的主要材料，也是突破“后摩尔时代”算力瓶颈的希望所在。
论文共同通讯作者、中国科学院上海微系统所研究员欧欣说：“与铌酸锂类似，钽酸锂也可以被称为‘光学硅’，我们与合作者研究证明，单晶钽酸锂薄膜同样具有优异的电光转换特性，甚至在某些方面比铌酸锂更具优势。”，更重要的是，硅基钽酸锂异质晶圆的制备工艺与绝缘体上硅晶圆制备工艺更加接近，因此钽酸锂薄膜可实现低成本和规模化制造，具有极高的应用价值。
此次，科研团队采用基于“万能离子刀”的异质集成技术，通过离子注入结合晶圆键合的方法，制备了高质量硅基钽酸锂单晶薄膜异质晶圆。同时，与合作团队联合开发了超低损耗钽酸锂光子器件微纳加工方法，成功制备出钽酸锂光子芯片。
欧欣表示，钽酸锂光子芯片展现出极低光学损耗、高效电光转换等特性，有望为突破通信领域速度、功耗、频率和带宽四大瓶颈问题提供解决方案，并在低温量子、光计算、光通信等领域催生革命性技术。
光芯片产业链:打造自主可控能力
要在光芯片领域实现更大突破,仅靠产品研发是远远不够的。更需要从产业链角度系统谋划,构建起自主可控的产业体系。
就当前情况来看,光芯片产业链主要包括三个关键环节:上游的基板/衬底供应商和生产设备提供商,中游的光芯片制造商,以及下游的光模块厂商。
作为整个产业链的基础,上游的材料和装备供给环节至关重要。比如说,光芯片离不开优质的衬底材料支撑,而MOCVD设备更是实现光芯片制造的关键装备。如果这些关键环节受到制约,势必会影响到整个产业链的稳定运转。
正是洞见到这一点,中国正在加大对上游环节的建设力度。一方面,本土衬底材料企业正在不断提升产品性能,提高市场占有率。另一方面,中国也在大幅加大对先进光芯片制造装备的自主研发,以缩小与国外的差距。
与此同时,中游的光芯片制造企业也在快速崛起。从低速到高速,从2.5G到100G/200G,中国企业正在不断拓展技术边界,形成更加完备的产品线。特别是在高速光芯片领域,源杰科技、武汉敏芯等企业正逐步缩小与国际头部企业的差距,成为行业新的力量。
下游的光模块厂商也在这一过程中发挥着关键作用。事实上,光模块作为光芯片的重要应用场景,其技术进步也在一定程度上带动了上游芯片企业的发展。近年来,中国光模块厂商如中际旭创、华为等,已经成长为全球一流水平,这也为国内光芯片企业的崛起创造了广阔前景。
总的来说,中国正在通过自主研发、产业链协同等方式,不断完善光芯片产业体系,提升自主创新和制造能力。只要坚持这一战略方针,中国必将在这个关键领域实现更大突破,为数字中国建设注入持久动力。
光子芯片何时会取代硅基芯片？
据专家预测，光子芯片要完全取代硅基芯片可能需要10年左右。但是，在美国对华芯片战的大背景下，中国光子芯片研发和普及速度可能会更快。目前，光子芯片研发仍面临一些挑战。
首先，光子芯片尺寸还不够小，这使得它在某些需要高度集成的应用场景中并不适用。此外，光子芯片和电子芯片的混合集成技术还不够成熟，这也限制了其在实际应用中的广泛推广。
其次，光子芯片制造成本相对较高，这在一定程度上影响了其市场竞争力。虽然随着技术的进步和产量的增加，制造成本可能会逐渐降低，但目前在成本方面仍然无法与硅基芯片相媲美。
再次，光子芯片在整体性能上仍无法替代硅基芯片。硅基芯片在逻辑运算、存储和信号处理等方面具有强大的能力，这使得它在许多应用场景中仍然占据主导地位。虽然光子芯片在某些方面具有优势，但在整体性能上目前仍然无法完全替代硅基芯片。
